本發(fā)明涉及一種基于廣義量測的地區(qū)電網T接線路故障測距系統(tǒng)。

背景技術：

近年來，伴隨社會經濟的快速發(fā)展，用電需要與日俱增，特別在夏季高峰時段，電網負荷往往接近于滿載運行，如何快速恢復供電，保障系統(tǒng)供電的持續(xù)性，對電網運檢人員進行巡檢提出了新的挑戰(zhàn)。因此，在故障發(fā)生時，快速定位故障位置，從而為電網運行調控人員及時安排運檢人員進行故障搶修贏得寶貴時間，將對地區(qū)電網的安全可靠供電產生重要的意義。

對電網故障位置進行快速定位，傳統(tǒng)分析方法主要為阻抗法和行波法。阻抗法具有實現簡單、經濟可靠等特點，在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。近些年隨著電網規(guī)模的迅速擴大，電網的供電半徑也日益增大，T接線路在110kV等級以下的電網中廣泛存在，當其發(fā)生故障時傳統(tǒng)的阻抗法進行故障測距就難以為繼。近幾年行波法因其具有應用范圍廣、實用性強、定位準確等特點在電力系統(tǒng)故障測距與定位等領域得以快速發(fā)展。目前110kV線路及10kV以下電壓等級的配電網中，阻抗法已在配電自動化系統(tǒng)得到廣泛應用，但其仍無法實現精確定位，給電網巡檢人員帶來了很大的困難，本發(fā)明通過將基于廣義測量的行波法引入110kV地區(qū)電網的T接線路故障測距中，以期待改善、解決這一問題。

考慮到傳統(tǒng)電流互感器的工作原理和電氣特性，在已有線路中加裝電流互感器存在諸多困難，且傳統(tǒng)的電流和電壓傳感器易受飽和影響，安裝與維護復雜。面對這樣的瓶頸問題，有必要尋求新型的測量方式，實現安全而有效的架空輸電線路電流監(jiān)測。

當前的110kV城市骨干電網，由于城市的快速發(fā)展，其電纜與架空線路經常同時出現在一條輸電線路中，T接線路更是大量存在于該電壓等級電網，諸多不利因素對110kV城市電網故障測距的實施造成了極大障礙如何能夠實現快速、精確的故障測距，以減輕電網運行維護人員的工作量，迅速查找線路故障點，縮短故障排除時間，從而減少因停電所造成的經濟損失，對于110kV城市電網已然迫在眉睫。

技術實現要素：

本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種基于廣義量測的地區(qū)電網T接線路故障測距系統(tǒng)，本發(fā)明針對110kv地區(qū)電網中T接線路的故障測距問題，利用一種安裝維護的無接觸式電壓電流行波感應裝置來采集行波信號，替代傳統(tǒng)的需要接入運行線路的電壓或電流互感器，利用電磁場感應原理采集到的輸電線路暫態(tài)電流信息，進一步用于行波測距，實現了故障的精確定位。通過對某地區(qū)電網的一條110kV線路T接進行分析，基于廣義測量的行波采集測距理論可經濟可靠的解決地區(qū)電網的故障測距問題，為提高電網的供電可靠性提供有效保障。

為了實現上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：

一種基于廣義量測的地區(qū)電網T接線路故障測距系統(tǒng)，包括分布式采樣終端、通信網絡和行波測距分析中心，其中，所述分布式采樣終端包括各個設置在桿塔處的無接觸式電壓電流行波采集裝置，所述無接觸式電壓電流行波采集裝置采集行波的突變信號，并將其通過通信網絡上傳至主站的行波測距分析中心，行波測距分析中心將各采樣終端上傳的信息，以故障支路兩端時標為基準，結合故障支路線路參數，利用雙端行波故障測距理論，計算故障點位置，實現電網的T接線路的故障測距。

所述無接觸式電壓電流行波采集裝布置在線路的首末端以及線路的T接點的桿塔以及桿塔與電纜連接處，負責線路故障發(fā)生時故障行波信號的采集。

所述無接觸式電壓電流行波采集裝置，包括無線通訊模塊和同步時鐘模塊，行波采集裝置由太陽能電池板進行供電。

所述無接觸式電壓電流行波采集裝置均配置GPS，通過無線網絡上傳統(tǒng)一時標的故障監(jiān)測數據。

所述無接觸式電壓電流行波采集裝置采用三相不對稱安裝。

所述行波測距分析中心包括通信前置機、服務器和工作站中心，所述通信前置機負責完成規(guī)約轉換，通過系統(tǒng)與采集終端的數據接口，將數據發(fā)送至服務器，服務器負責處理和分析數據，其內置T接線路故障測距算法，提供數據通道，接口SCADA系統(tǒng)；工作站中心負責用戶界面的圖形處理與展示功能。

所述行波測距分析中心對故障支路的判別以所有上傳帶時標的數據的終端確定故障區(qū)域，按照時間排序檢測各故障初始行波的監(jiān)測點，結合故障區(qū)域的網絡拓撲分析，即可判斷故障所在的支路。

所述行波測距分析中心采用雙端行波測距原理進行分析，利用故障初始行波分別到達故障線路兩端的時間，實現故障點的測距。

本發(fā)明的有益效果為：

(1)本發(fā)明各分布式采樣終端主要布置在線路的首末端以及線路的T接點的桿塔以及桿塔與電纜連接處，負責線路故障發(fā)生時故障行波信號的采集。各采樣終端采用GPS統(tǒng)一授時，保證了數據的高度可靠性。采用GPRS通訊網絡，具有傳輸速率高，支持IP協(xié)議，資源利用率高，成本低廉等特點；

(2)本發(fā)明的采集裝置安裝、維護方便，通過場檢測方式采集信號，無需接入電力系統(tǒng)一次側，避免了傳統(tǒng)PT、CT等設備安裝對電網運行造成的影響，日常維護也非常方便；具有極強的適應性，其適用于架空線路、地下電纜及架空線路與地下電纜混合等各種復雜的線路模式；實現電流、電壓行波信號的雙采集，能夠為故障測距提供最全面、準確、高精度的信號支持；低功耗與靈活的供電方式，對于野外等偏遠的環(huán)境，采用裝置自帶的太陽能板即可滿足其日常運行的耗電需求，對于城市地下線路等處可就地取電，易于實現；

(3)易安裝，且易推廣：設備安裝、維護不影響線路帶電運行(傳統(tǒng)的終端互感器由于需要一次側串聯(lián)或并聯(lián)在終端電路中，安裝、維護需要斷電操作)；在已有的FTU、DTU等終端設備的節(jié)點處，可改造利用現有的監(jiān)測終端的執(zhí)行機構，只需更新其控制器，容易推廣。

(4)沖擊強度檢測：只檢測信號沖擊強度，低成本設備就可以實現高質量的監(jiān)測，容易實現；裝置耗能低，可以實現自供電：裝置自帶太陽能電池板，配合微型儲能裝置，取電便捷，耗電低，可長時間工作于各種復雜惡劣環(huán)境中。

(5)基于雙端故障測距原理，利用無接觸式的分布式感應式電壓行波采集裝置采集行波信息，基于電磁感應原理進行強度檢測，具有采樣頻率高、靈敏度高、測距精度高以及易安裝等特點，可為電網巡檢人員快速定位故障位置并進行故障搶修提供重要的參考。

附圖說明

圖1(a)為本發(fā)明的線路故障狀態(tài)示意圖；

圖1(b)為本發(fā)明的線路非故障狀態(tài)示意圖；

圖1(c)為本發(fā)明的線路故障附加狀態(tài)示意圖；

圖2為本發(fā)明的行波信號采集裝置示意圖；

圖3為本發(fā)明的行波故障測距系統(tǒng)示意圖；

圖4為本發(fā)明的行波故障測距系統(tǒng)的分布構成示意圖；

圖5為本發(fā)明110kV線路T接結構圖；

圖6為電網某條110kV線路結構圖。

具體實施方式：

下面結合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步說明。

行波采集及測距原理

行波測距理論

當輸電線路發(fā)生故障時，可以利用疊加原理將線路故障狀態(tài)圖1(a)所示，可等效分為非故障狀態(tài)圖1(b)所示和故障附加狀態(tài)圖1(c)所示。

圖1(b)非故障狀態(tài)指故障前的正常運行狀態(tài)，等效電壓源U_f數值為故障點無故障時的正常電壓；故障附加狀態(tài)是在故障后出現，且與非故障狀態(tài)電壓數值相等方向相反，其附加等效電壓源為-U_f。故障附加狀態(tài)獨立于非故障狀態(tài)，但受系統(tǒng)運行方式的影響。故障附加狀態(tài)中等效電壓源-U_f的存在，輸電線路中將產生由故障點向線路兩端傳播的前進波，同時由于輸電線路的分布參數特性，該前進波具有高頻性質，并具有接近光速的傳播速度，由此產生故障行波。

本發(fā)明采用雙端行波測距原理，其核心原理是利用故障初始行波分別到達故障線路兩端的T_M、T_N，實現故障點的測距。雙端故障測距雙端行波故障測距僅利用故障初始行波，不存在折反射波性質識別的問題，故障初始行波一般幅值較大，奇異性較強，較容易實現波頭奇異點的檢測，一般而言雙端行波故障測距具有較高的準確性和可靠性。但雙端行波故障測距方法需要在故障線路的兩端均裝設行波故障測距裝置以及同步時鐘裝置。通過將雙端測距原理應用至三端行波故障測距進行分析，可較準確的進行故障點的定位。

無接觸式電壓電流行波采集裝置

由于城市110kV等級電網接線比較復雜，傳統(tǒng)的信號采集裝置如電壓互感器(PT)、電流互感器(CT)等需要線路停電進行安裝，給電網的正常運行帶來了困難。本發(fā)明通過應用無接觸式電壓電流行波采集裝置，其將以場檢測原理為基礎，由于行波發(fā)生時會使桿塔出的電磁場發(fā)生突變，通過無接觸式行波采集裝置可以采集行波的突變信號，并將其傳送至遠方行波測距分析裝置。行波信號采集裝置如圖2所示。其采用太陽能電池板發(fā)電提供裝置電源，剩余的電量存入電池。其通過裝設于輸電線路下方的桿塔處，可采集輸電線路故障時的行波突變信號。

圖2中行波采集裝置帶有無線通訊裝置以及全球定位的同步時鐘裝置，整套裝置由太陽能電池板以及附帶的電池進行供電。具有簡單、經濟、抗干擾能力強等特點，能適應野外惡劣的作業(yè)環(huán)境。無線通訊設備將采集到的電壓電流行波信號傳送至主站的行波信號分析裝置，綜合研判故障發(fā)生的精確位置。該裝置有如下特點：

1)安裝、維護方便，通過場檢測方式采集信號，無需接入電力系統(tǒng)一次側，避免了傳統(tǒng)PT、CT等設備安裝對電網運行造成的影響，日常維護也非常方便；

2)具有極強的適應性，其適用于架空線路、地下電纜及架空線路與地下電纜混合等各種復雜的線路模式；

3)實現電流、電壓行波信號的雙采集，能夠為故障測距提供最全面、準確、高精度的信號支持；

4)低功耗與靈活的供電方式，對于野外等偏遠的環(huán)境，采用裝置自帶的太陽能板即可滿足其日常運行的耗電需求，對于城市地下線路等處可就地取電，易于實現。

基于雙端行波故障測距原理，利用無接觸式的行波信號采集裝置以及數據通信系統(tǒng)，構成了本發(fā)明基于廣義量測的110kV城市電網故障測距系統(tǒng)。該測距系統(tǒng)將內置分布式的全球定位系統(tǒng)，使全系統(tǒng)故障數據的時標能夠統(tǒng)一，進一步提高故障測距的精度與可靠性。系統(tǒng)組成情況如下圖3所示。

該電網故障測距系統(tǒng)由三層網絡結構構成，分別由分布式采樣終端、通訊網絡以及綜合分析研判中心構成，分布式采樣終端通過采集故障行波信息通過通信網絡層上傳至服務器，綜合分析中心通過將各采樣終端上傳的信息進行分析，實現復雜城市電網的T接線路的故障測距。其由三部分構成，通信前置機負責完成規(guī)約轉換，通過系統(tǒng)與采集終端的數據接口，將數據發(fā)送至服務器。服務器負責處理和分析數據，其內置T接線路故障測距算法，提供數據通道，接口SCADA系統(tǒng)；工作站負責用戶界面的圖形處理與展示功能。各層系統(tǒng)在電網中的分布情況如圖4所示。

各分布式采樣終端主要布置在線路的首末端以及線路的T接點的桿塔以及桿塔與電纜連接處，負責線路故障發(fā)生時故障行波信號的采集。各采樣終端采用GPS統(tǒng)一授時，保證了數據的高度可靠性。采用GPRS通訊網絡，具有傳輸速率高(115kb/s)，支持IP協(xié)議，資源利用率高，成本低廉等特點。

110kV城市電網T接線路故障測距主要由故障支路判別以及故障位置計算兩部分實現，如圖5所示。故障支路的判別以所有上傳帶時標的數據的終端確定故障區(qū)域，按照時間排序檢測各故障初始行波的監(jiān)測點，結合故障區(qū)域的網絡拓撲分析，即可判斷故障所在的支路。故障位置計算以故障支路兩端時標為基準，結合故障支路線路參數，利用雙端行波故障測距理論，即可以計算故障點位置。

從圖5知，若K₁和K₂兩點處至線路C點處的電氣距離相等，若K₁點處發(fā)生故障，運用傳統(tǒng)的故障分析法進行線路故障測距是否位于K₁或K₂點處發(fā)生困難，這是由于K₁和K₂兩點至線路始端的電氣距離相等，故障分析法無法判斷故障發(fā)生在何處支路，由此為運檢人員及時發(fā)現故障并進行故障搶修帶來了困難，行波測距法則完全不受電氣支路分支的影響。若線路C、D之間K₁處發(fā)生單相接地故障，故障行波會以光速從K₁處傳送至如圖所示的M、N、C、D、A、B各端，通過判斷行波的初始波頭抵達的線路T接點以及首末端位置，可得知行波傳送至C、D兩端較其余端點處M、N、A、B處時間最短，故可以斷定故障發(fā)生在C、D之間的支路；再在C、D兩端運用行波雙端故障測距理論即可以計算出K₁點處故障的實際位置。同理若在K₂處故障，行波傳送至A、C兩端較其余M、D、N、B端點處時間最短，故可判定故障發(fā)生在A、C處；再以此為基礎運用雙端故障測距即可判斷故障的實際位置。

感應式電壓行波采集終端是110kV T接線路故障測距系統(tǒng)的分布式采樣終端的重要組成部分，主要負責110kV T接線故障測距行波信號的捕捉與采集。由于行波信號傳輸速度快，本發(fā)明采用2MHz的采樣頻率，可以靈敏地采集行波信號。各采集裝置均配置GPS，可通過無線網絡上傳統(tǒng)一時標的故障監(jiān)測數據，同時具有故障記錄功能，能夠自動記錄沖擊響應的信息。采集裝置主要具有以下功能：

1)利用電磁感應原理，采用場檢測的方式，對電網設備與線路采用無接觸的方式，避免停電安裝設備對用戶造成影響。

2)只進行場強度檢測，即只檢測信號沖擊及沖擊強度，并不檢測故障時具體的電壓和電流數值，具有高度的可靠性與靈敏度。

3)進行電壓行波檢測，可解決傳統(tǒng)電流行波檢測所面臨的T接點處無法識別行波方向的問題。

4)采用2MHz的高頻采樣頻率，與傳統(tǒng)的量測方式的幾kHz的采樣頻率相比，無需額外安裝行波量測裝置，2MHz的采樣頻率可充分滿足行波的需求。

5)采集裝置投運采用三相不對稱安裝，由于正常運行時存在穩(wěn)定的不對稱分量，可由此判斷進行線路投運。

感應式電壓行波采集裝置除具有以上功能特點外，還具有如下的應用特點：

1)易安裝，且易推廣：設備安裝、維護不影響線路帶電運行(傳統(tǒng)的終端互感器由于需要一次側串聯(lián)或并聯(lián)在終端電路中，安裝、維護需要斷電操作)；在已有的FTU、DTU等終端設備的節(jié)點處，可改造利用現有的監(jiān)測終端的執(zhí)行機構，只需更新其控制器，容易推廣。

2)沖擊強度檢測：只檢測信號沖擊強度，低成本設備就可以實現高質量的監(jiān)測，容易實現。

3)裝置耗能低，可以實現自供電：裝置自帶太陽能電池板，配合微型儲能裝置，取電便捷，耗電低，可長時間工作于各種復雜惡劣環(huán)境中。

4)裝置成本低：無需額外增配行波的量測設備，且可以利用已有的采集終端的節(jié)點直接改造就可以實現高質量檢測。

本發(fā)明以某電網為例，對所提研究方法進行應用與驗證分析。某電網位于山東電網的東北部，通過5條500kV線路與省網相聯(lián)，網內現有110kV及以上變電站165座，110kV級以上輸電線路288條，承擔著某14個縣市區(qū)的供電任務。

具體選取某電網110kV實際線路結構中的兩個T接線路點，如圖6所示的T₁和T₂點。圖中，甲站為220kV變電站，乙站、丙站和丁站均為110kV變電站，丙站距T₁點10.6km，圖中的線路、變壓器阻抗數值均為標幺值。

220kV甲站通過110kV出線與110kV乙站相連，共有兩個線路T接點，于T₁點處通過線路4接至丙站，于T₂點處通過線路5接至丁站，線路結構與參數如圖6所示。

當在線路4處距離丙站0.7km處發(fā)生A相接地短路故障時，以電壓行波為例進行說明，各分布式電壓行波采集裝置采集的初始故障行波上傳時標分別為：甲站10.083ms、T₁點處10.015ms、T₂點處10.021ms、乙站10.104ms、丙站10.017ms和丁站10.046ms。通過采用前面所述的故障支路判別法，很明顯可以判定故障發(fā)生在T₁點與丙站之間。結合故障支路參數，故障測距系統(tǒng)可計算出故障距離丙站為0.697km，與實際的故障發(fā)生地點非常接近，精度可以達到99％以上。

表1為距離丙站0.7km處發(fā)生不同故障類型時的測距結果。其中，相對測距誤差的計算式為

表1表明，本發(fā)明算法適用于單回線不同故障類型，且精度較高。

表1輸電線路不同故障類型的的測距結果

基于廣義量測的T接線路故障測距系統(tǒng)通過分布式采樣終端采集的行波信息，應用雙端行波故障測距原理可以較好的實現含有T接支路復雜故障測距，且能適應現場惡劣的復雜環(huán)境，測距精度較高，比傳統(tǒng)的故障分析法易受過渡電阻的影響較大等具有更廣的適應性，通過在某電網的投入試驗可以有效進行復雜線路結構的故障測距，成本低且易安裝和推廣應用。

本發(fā)明針對110kV地區(qū)電網中的T接線路故障測距問題，采用基于廣義量測的故障測距系統(tǒng)進行測距方法研究。該方法基于雙端故障測距原理，利用無接觸式的分布式感應式電壓行波采集裝置采集行波信息，基于電磁感應原理進行強度檢測，具有采樣頻率高、靈敏度高、測距精度高以及易安裝等特點，可為電網巡檢人員快速定位故障位置并進行故障搶修提供重要的參考。該系統(tǒng)成本低，無需額外增配行波量測裝置，且可以利用已有的采集終端的節(jié)點如FTU、DTU等終端設備直接改造即可以實現，避免了過渡電阻的影響，具有更好的測距精度，對于提高區(qū)地電網的供電可靠性具有重要的作用。通過對電網實際T接線路進行分析，驗證了本發(fā)明所提方面的正確性與有效性。

此外，本發(fā)明所提測距系統(tǒng)與方法雖然是針對于110kV電網的T接線路進行故障測距，但其亦可適用于10kV等其他等級的城市配電網的故障測距問題。由此，本發(fā)明系統(tǒng)方法對于提高配網運檢人員迅速進行故障定位和搶修，及時恢復用戶供電提供了有效的途徑，具有良好的工程意義。

上述雖然結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發(fā)明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內。